PT1052782E - Telefone móvel com um circuito de desmodulação com oscilador local aperfeiçoado. - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

TELEFONE MÓVEL COM UM CIRCUITO DE DESMODULAÇÃO COM OSCILADOR LOCAL APERFEIÇOADO A presente invenção tem por obj ectivo um circuito de desmodulaçâo com oscilador local aperfeiçoado, que pode ser utilizado principalmente no domínio da telefonia celular, nomeadamente do tipo GSM. Neste domínio, são instituídos protocolos de reconhecimento no momento de entrada ao serviço de um telefone móvel numa rede. Estes protocolos impõem constrangimentos técnicos difíceis de satisfazer pelos equipamentos dos telefones móveis. A presente invenção tem por objectivo resolver efícazmente um problema que surge no momento desta entrada em serviço e que, no estado da técnica, só pode ser resolvido escolhendo osciladores locais perfeitos e cujo custo de regulação é excessivo.

No momento em que um telefone móvel é posto em serviço numa rede celular, este telefone móvel entra em contacto com uma estação de base. Como à priori o telefone móvel não sabe em que célula desta rede se encontra, uma rotina de entrada ao serviço inclui a procura de um sinal de baliza o mais forte recebido no local em que se encontra este telefone móvel. Este sinal de baliza é em geral emitido pela estação de base a uma frequência Fi de baliza fixa. De uma célula para a outra, a frequência Fi pode variar. Em certos casos, células adjacentes podem partilhar uma frequência de baliza. Em todos os casos, o sinal emitido à frequência de baliza tem um nível de potência mais elevado que os sinais relativos às comunicações trocadas entre a estação de base da célula de um telefone móvel, mesmo o mais distante desta estação base nesta célula. 0 sinal de 1 baliza é aliás permanente. Ainda que seja dividido em tramas e nestas tramas em janelas temporais, cuja significação muda de uma janela para a outra, a emissão é constante e feita com o mesmo nível de potência.

Sem entrar nos pormenores demasiado importantes, o sinal de baliza é formado por um motivo repetido ao fim de um certo número de tramas, por exemplo, 51 tramas no quadro do GSM. Sendo a duração de uma janela temporal de 577 microsegundos e neste exemplo incluindo uma trama oito janelas, a duração de uma trama é de 4,615 milisegundos enquanto que a duração de um motivo é da ordem dos 235 milisegundos. Este motivo inclui agrupamentos de dez ou onze tramas.

Um primeiro agrupamento de tramas deste motivo é diferente de um agrupamento seguinte. Inclui, respectivamente, em cada uma das dez tramas que o compõem sinais ditos FCH, SCH, BCCH e CCCH. Os sinais FCH significam Frequency Control cHannel em Inglês - Canal de Controlo de Frequência. Correspondem a uma emissão de uma portadora Fi (a da baliza) modulada por uma sinusoide pura a 67,7 KHz do centro do canal. Esta frequência de modulação tem de facto como resultado uma codificação do tipo GSM com uma constelação de modulação de doze pontos, para transmitir valores de codificação I e Q valendo sucessivamente (1,0), (0,1), (-1,0) e (0,-1) e para repetir estas codificações. A emissão da portadora modulada dura toda uma janela temporal.

Um telefone móvel que acaba de entrar ao serviço pode assim procurar, em primeiro lugar, qual a portadora através da qual recebe o máximo de potência. Numa banda normalizada de 35 MHz atribuída ao GSM 900 MHz (outras larguras de banda são atribuídas nas normas DCS, PCS, ver UMTS), o telefone móvel procura uma portadora com uma frequência de 2 baliza que recebe melhor. Isto é realizado por um escrutínio na banda e por uma detecção simples, realizada, por exemplo, directamente à saída de um circuito de recepção, mesmo antes da desmodulaçâo. 0 escrutínio inclui também a observação do que se passa nos canais de largura normalizada, de 200 KHz no quadro do GSM. Com efeito, como as frequências portadoras dedicadas à transmissão dos sinais de comunicação são submetidas a uma agilidade de frequência, de uma janela temporal à outra, a frequência Fi de baliza é mantida constante. É suficiente portanto a um telefone móvel escutar sucessivamente todas as bandas para conhecer aquela que é a que recebe melhor.

Uma vez identificada uma frequência Fi de baliza, o telefone móvel procura detectar qual é a janela temporal durante a qual recebe um sinal FCH que modula esta portadora Fi por uma sinusoide pura a 67,7 KHz. É nesta procura que aparecem, mais particularmente, os problemas resolvidos pela invenção. Com efeito, tendo em vista a largura imposta aos canais, 200 KHz, as desmodulações de circuitos de desmodulaçâo incluem normalmente um filtro, designado filtro de canal, à saída. A largura de banda de um filtro de canal, em baixa frequência, vai de -100 KHz a +100 KHz. De facto, a desmodulaçâo transpõe o sinal modulado por mistura do sinal recebido com um sinal à frequência Fi da portadora produzido por um oscilador local. No entanto, esta desmodulaçâo não se realiza perfeitamente devido à imprecisão de realização do oscilador local. Se o oscilador local, em vez de produzir um sinal a uma frequência Fi produz um sinal a uma frequência Fi-ε, o sinal desmodulado à saída terá uma frequência igual a 67,7 ΚΗζ+ε. Bem entendido que se ε é pequeno não se apresenta qualquer problema. Em particular, quando da realização de um telefone móvel, quando é novo, o oscilador local pode ser regulado para que ε seja fraco ou 3 nulo. Na prática, é necessário que, relacionado com a frequência de baliza Fi, o desvio ε tolerado seja inferior a 23,5 partes por milhão (ppm) para a banda GSM a 900 MHz e seja inferior a 12,1 ppm na banda DCS a 1800 MHz, e seja igualmente inferior a 11,4 ppm na banda PCS a 2100 MHz. Isto permite evitar problemas de desmodulação devidos à presença do filtro de canal. Por outro lado, são previstos circuitos de correcção num telefone móvel para medir o desvio e para modificar o valor dos sinais desmodulados em correspondência (e não para modificar a frequência de desmodulação Fi+ε) . Com efeito, não é verdadeiramente possível nas cadeias de desmodulação utilizadas modificar, por exemplo, por servo comando, a frequência central de desmodulação produzida por um oscilador local. Veremos em seguida por que razão a arquitectura destes osciladores locais não permite uma tal regulação da frequência de desmodulação. Pelo contrário, se o desvio ε é fraco, e, nomeadamente, se está contido nos limites acima indicados, é possível corrigir os sinais desmodulados de maneira a lhes restituir por descodificação um valor que tenha em conta o desvio ε medido. Este desvio é justamente medido no momento da recepção dos sinais FCH.

Infelízmente, devido ao envelhecimento dos aparelhos e, em certos casos, devido às condições de utilização, de temperatura e de tensão do telefone móvel, a frequência do oscilador local pode flutuar. Esta flutuação pode ser suficientemente importante para que a presença do filtro de canal venha perturbar a recepção e a desmodulação do sinal à frequência de 67,7 KHz. Com efeito, a banda do filtro de canal no limite de banda à volta dos 100 KHz não é abrupta mas apresenta uma inclinação significativa. Na prática, o amortecimento dos sinais recebidos começa bastante antes de uma frequência limite de 100 KHz. Deverá notar-se que no 4 que diz respeito à recepção dos sinais de comunicação, este corte progressivo (que oferece aliás a vantagem de uma realização mais simples do filtro de canal e de uma rotação de fase menos penalizante) não é prejudicial, uma vez que a quantidade de informações transmitida por cada hertz no limite da banda é baixa. 0 essencial da informação está incluído nas baixas frequências desmoduladas. Um documento da técnica é o pedido de Patente EP 483090.

Na invenção, para remediar estes inconvenientes, sem ter aliás de modificar o valor de regulação do filtro de canal, prevê-se alterar o oscilador local por excesso de tal maneira que apresente, nas condições óptimas de regulação, nomeadamente, na altura em que é novo ou acaba de ser fabricado, um sinal de uma frequência de baliza com um valor ligeiramente superior a uma frequência Fi normalizada esperada. Fazendo isto, na desmodulação, em lugar de subtrair apenas um sinal a uma frequência Fi de um sinal de portadora modulada recebida, subtrai-se um sinal com uma frequência Fi+ε'. Devido a isto, o sinal desmodulado para a recepção dos sinais FCH já não será um sinal de uma frequência de 67,7 KHz, mas sim um sinal de uma frequência de 67,7 ΚΗζ-ε' . Em consequência, se devido ao seu envelhecimento o oscilador local começa a flutuar, dispõe-se de uma margem de flutuação igual a este valor z' antes mesmo de se chegar ao princípio da margem de tolerância imposta pelo filtro de canal. Em consequência, mesmo no caso de vários anos de utilização, a detecção dos sinais FCH é melhorada e a ligação de um telefone a uma estação de base torna-se mais eficaz.

Na prática, a alteração ε' (expressa em termos absolutos) é baixa. A sua contribuição pode ser facilmente compensada pelos circuitos de correcção do tipo já conhecido no local dos circuitos de recepção, e que têm por 5 efeito a neutralização da alteração ε' considerada no estado da técnica. Esta alteração do oscilador local é evidentemente efectuada por excesso, de maneira a que o sinal FCH desmodulado seja mais aproximado das baixas frequências, e se torne um sinal inferior a 67,7 KHz em vez de se aproximar das frequências elevadas onde, sendo bastante superior a 67,7 KHz, se arriscaria a atingir a banda de corte do filtro de canal, e onde o seu amortecimento impediria muito simplesmente a sua detecção correcta. A invenção tem portanto por objectivo um telefone móvel tal como é definido na reivindicação 1. A invenção será melhor compreendida na leitura da descrição que se segue e no exame das figuras que a acompanham. Estas só são apresentadas a título indicativo e de maneira nenhuma limitativo da invenção. As figuras mostram:

Figuras la e 1b: representações espectrais e temporais de um sinal tipo FCH a detectar com um circuito de desmodulação aperfeiçoado de acordo com a invenção;

Figura 2: uma representação esquemática de um circuito de desmodulação de sinais FCH e do seu tratamento de correcção de acordo com a invenção;

Figura 3: uma representação dos símbolos que constituem na norma GSM um sinal do tipo FCH. A figura la mostra um diagrama 1 espectral de um filtro de canal que pode ser utilizado num circuito de desmodulação de acordo com a invenção ou de acordo com o estado da técnica. Mostra igualmente o diagrama 2 espectral de um sinal que modula uma portadora destinada a ser desmodulada por este circuito de desmodulação. Mostra ainda, de uma maneira esquemática, um diagrama 3 espectral 6 de um sinal sinusoidal puro recebido (ou quase puro por ter sofrido as distorções de transmissão) que modula uma portadora com uma frequência Fi. No quadro do problema resolvido pela invenção, o sinal que modula a portadora Fi é um sinal com uma frequência fixa que, no exemplo das normas GSM, DCS ou PCS é de 67,7 KHz. 0 diagrama da figura 1 mostra, de uma forma figurativa (antes da transposição/desmodulação), a frequência 4 central, com o valor Fi, do filtro de canal e do espectro do sinal 2 uma vez que na prática, após desmodulação, esta frequência central é normalmente nula. Ao lado desta frequência 4 central figura, com uma alteração por excesso, uma frequência 5 de desmodulação de acordo com a invenção com um valor Fi+ε' . Voltando a desmodulação a subtrair de um sinal cuja frequência é Fi+67,7 KHz um sinal Fi, atinge-se naturalmente um sinal desmodulado de 67,7 KHz. No entanto, com a invenção será atingido um sinal igual a 67,7 KHz-ε'. Esta alteração reflecte-se como um deslocamento relativo do espectro do sinal 3 no interior do filtro 1 na direcção da frequência central deste filtro 1. Como se verifica facilmente na figura la, este deslocamento tem por efeito fazer passar através do filtro 1 de canal um sinal 7, cujo espectro fica mais bem centrado neste filtro de canal. Não tendo o filtro de canal elemento activo, a sua banda 8 de corte não se desloca com o envelhecimento. Pelo contrário, um oscilador local pode ter uma frequência que flutua com o tempo devido a este envelhecimento. Se, nomeadamente, esta flutuação se fazia por defeito tornando-se Fi em Fi-ε sem a invenção, o espectro 3 alterar-se-ia para os valores elevados da frequência, isto é, para 67,7 ΚΗζ+ε. Este valor elevado arriscaria encontrar a banda 8 de corte. Neste caso, o sinal FCH seria mal detectado, 7 digamos, não seria detectado, impedindo a ligação do telefone móvel a uma estação de base. A figura lb mostra o aspecto temporal de um sinal 3, cujo espectro é mostrado na figura la. No decurso de uma janela temporal TS9, o sinal FCH 10 que modula a portadora é, neste exemplo, um sinal de 67,7 KHz. A figura 2 mostra um circuito de desmodulação de acordo com a invenção. Este circuito inclui um oscilador 12 local e um misturador 13. 0 misturador 13 tem duas entradas. Numa primeira entrada 14, o sinal proveniente do oscilador 12 local é introduzido. Numa outra entrada 15 de desmodulação, aplica-se um sinal proveniente de uma antena 11 do telefone móvel. Este sinal, tipicamente o sinal da figura lb, é um sinal que modula uma portadora (67,7 KHz) com uma frequência Fi. De acordo com a invenção, o oscilador 12 local está em desacordo, por excesso, relativamente à frequência Fi. 0 oscilador 12 local é, de uma maneira geral, constituído no seu princípio por um oscilador 16 comandado pela tensão (VCO) ligado à entrada 14 pela sua saída. A saída 16 do oscilador é igualmente ligada à entrada de um divisor 17 que divide a frequência do sinal 16 deste oscilador por um valor Μ. A saída 17 do divisor é ligada a uma primeira entrada de um comparador 18 de duas entradas. Uma segunda entrada do comparador 18 recebe um sinal produzido por um oscilador 19 estável. Por razões práticas, o oscilador 19 de quartzo produz um sinal cuja sequência é dividida num divisor 20 por um valor N. Num exemplo particular, a frequência de oscilação do oscilador 19 de quartzo é da ordem dos 13 MHz. Neste caso, o valor de N é de 65, de maneira que a frequência do sinal introduzido na segunda entrada do comparador 18 seja de 200 KHz. Esquematicamente, o divisor 17 divide por 4500 de maneira a que a frequência do sinal disponível à entrada 14 seja da ordem dos 900 MHz. Com efeito, 900 MHz divididos por 4500 são também iguais a 200 KHz. Como consequência, para satisfazer a saltos de frequência por faixas de 200 KHz, basta impor ao divisor 17 valores de M variando de uma unidade. 0 esquema do oscilador 12 pode ser diferente na prática. No seu princípio é o mostrado, recebendo o divisor 17 e o divisor 20 os sinais de divisão M e N provenientes do microprocessador 21 que controla o telefone móvel.

No estado da técnica, o oscilador 19 de quartzo é regulado na fábrica de uma maneira definitiva, nomeadamente, por condensadores 22 de ajuste. Em princípio, o valor da frequência do sinal do oscilador 19 é muito estável e não deveria variar no tempo. A frequência é portanto regulada para que o sinal disponível à saída do divisor 20 seja exactamente 200 KHz.

Na invenção, regula-se o oscilador 12 para que produza um sinal com a frequência Fi+ε' por excesso e aqui, tendo em conta a arquitectura apresentada, regula-se o oscilador 19 de quartzo para que provoque este excesso. Devido à multiplicação por M/N, a frequência do sinal do oscilador 12 é proporcional à do oscilador 19 de quartzo.

Tanto a agilidade da frequência do telefone móvel por faixas de 200 KHz pode ser realizada por meio do divisor 17 como não pode ser desviada finamente cada uma das frequências Fi produzidas pelo oscilador 12 quando, com a idade, este tiver começado a oscilar.

Num exemplo, a regulação por excesso é tal que, cora referência ao valor da frequência Fi, o desvio por excesso fica inferior a 10 KHz. Na prática, foi escolhido um desvio de 5 KHz. Neste caso, em GSM de 900 MHz, o desvio é, respectivamente, de 5.103/900.106 ou 104/900.106, ou seja, 5 ppm e 10 ppm. Todavia convém distinguir de acordo com o 9 modo de utilização desejado. Com efeito, devido às multiplicações provocadas pelos divisores 17 e 20, um desvio de 5 KHz em modo GSM (em que M é da ordem de 4500} é equivalente a um desvio de 10 KHz em DCS ou PCS (onde M é da ordem de 9000 ou de 10500).

Poderemos prever nestas condições uma comutação de condensadores 22 ou 23 de ajuste de acordo com a forma de utilização desejada. Como variante, sabendo que se podem tolerar 10 KHz, poder-se-á escolher uma regulação de 5 KHz por excesso para o modo GSM 900 MHz, sabendo que esta regulação por excesso induz uma regulação de 10 KHz nos modos DCS ou PCS. De um modo preferido, neste caso, o desvio comum será um desvio válido entre 800 MHz e 2200 MHz. No primeiro caso, um circuito de comutação, comandado igualmente pelo microprocessador 21, pode efectuar a comutação dos condensadores 22 para os condensadores 23. 0 circuito de desmodulação inclui, por ouro lado, um filtro 24 de canal do tipo passa baixo e cujo espectro 1 é mostrado na figura la. O sinal disponível à saída do filtro 24 é introduzido num aferidor 25 de sinal comandado pelo microprocessador 21. Este aferidor 25 de sinal produz, de uma maneira conhecida, amostras I e Q, cujo número útil é de 141 por janela temporal. Na prática, numa janela temporal de 577 microsegundos encontramos 156,25 amostras possíveis, mas as primeiras e as últimas da janela não têm significado e podem não ser recebidas sem alterar o significado da comunicação. Estas amostras formam uma série de sinais I e Q relativos a uma desmodulação em quadratura pelo desmodulador 13.

Este aferidor 25 produz amostras I e Q que são transmitidas a um descodificador 26. De uma forma conhecida, o descodificador 26 pode extrair, no momento da recepção dos sinais FCH, uma informação ε relativa à 10 flutuação do oscilador 12. Esta informação ε é utilizada aliás por um descodificador 26 para corrigir, não a frequência do oscilador 12 (que vimos não ser de forma nenhuma possível), mas os valores das amostras I e Q recebidas. Esta correcção de tipo digital é conhecida por natureza. A particularidade na invenção situa-se no facto de que ε de desvio é em parte compensado por uma pré-regulação ε'. Dito de outra maneira, o descodificador 26 produz agora a título de correcção um sinal de erro igual a ε-ε'. No princípio, quando o telefone móvel é novo, ε é nulo, e o descodificador 26 elabora o erro ε' esperado com o qual são, por outro lado, efectuadas as correcções. 0 resultado imediato obtido com a invenção é que, na saída do filtro 24, dispomos de sinais resultantes da sua desmodulação no desmodulador 13, enquanto que se se tivesse tolerado, sem o corrigir de antemão, o desvio do oscilador 12, seriam encontrados casos em que o filtro 24 atenuaria demasiadamente os sinais FCH ao ponto de não virem a ser detectados mesmo no aferidor 25. A figura 3 mostra, no quadro do GSM-DCS-PCS, o aspecto de uma codificação de modulação correspondente ao sinal com 67,7 KHz. Este é constituído, na constelação retida com 12 posições, por quatro posições preferidas, onde os sinas I e Q valem, respectivamente, 1 e 0, 0 e 1, -1 e 0 e 0 e -1. Na prática, a geração do sinal FCH é sintetizada por um acumulador de fase que recebe este tipo de sinais digitais. Na recepção, os sinais I e Q esperados após a descodificação devem ter os valores acima indicados. Se há uma flutuação quando da primeira medida, os sinais I e Q, quantificados, eles próprios, em vários bits, mostram um desvio angular em relação a estes valores. À medida que o sinal é recebido, este desvio amplifica-se, é o sentido do alongamento das setas apresentadas nos diferentes pontos da 11 constelação. Para uma determinada oscilação, bem entendido, apenas um sentido das setas é considerado. Reportando-nos ao ponto (1,0), verifica-se que, quando há uma flutuação muito importante, a dispersão dos valores impede a acumulação. Pelo contrário, os sinais tendem a neutralizar-se uns aos outros. Na prática, a medida de ε decorre desta degradação da acumulação dos sinais referidos. Na invenção, efectuamos a correcção tal como no estado da técnica: podemos conhecer o valor ε-ε' resultante a prazo da flutuação. A título de aperfeiçoamento, podemos modificar o algoritmo de correcção dos valores dos sinais X e Q. Com efeito, no estado da técnica, a flutuação pode ter um efeito de desvio por excesso ou por defeito da frequência do oscilador local. Na invenção, sabe-se, pelo menos no principio, que este desvio é obrigatoriamente por excesso. É portanto possível modificar o algoritmo de correcção para ter em conta este conhecimento à priori de maneira a fazê-lo convergir mais rapidamente. Em definitivo, em vez de fazer ensaios com quaisquer valores de ε e de só reter como seu valor o que maximiza a acumulação, sabe-se à partida que é necessário fazer um ensaio com um valor ε igualmente conhecido antecipadamente regulado em fábrica e valendo ε' . Sendo a flutuação do oscilador local lenta no decurso do tempo, é possível de um dia para o outro ou de um mês para o outro armazenar o valor ε-ε' obtido de maneira a deduzir as correcções a aplicar aos sinais I e Q medidos (em comunicação) para efectuar a correcção global.

Lisboa, 29 de Março de 2007 12

Claims (8)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Telefone móvel com um circuito de desmodulação que inclui um oscilador (12) local e um misturador (13) com uma entrada (14) do oscilador local e uma entrada (15) de desmodulação, recebendo a entrada de desmodulação um sinal (3) que modula uma portadora com uma frequência Fi, tendo o referido sinal de modulação uma frequência fixa e compreendendo o referido circuito de desmodulação também um filtro (24) de canal que apresenta uma frequência (8) de corte elevada, caracterizado por o oscilador (12) local ser regulado na fábrica para apresentar uma saida, cuja frequência (6) está em desacordo por excesso relativamente à frequência Fi, sendo o desacordo (ε') por excesso determinado de maneira que o sinal desmodulado seja levado para as baixas frequências, evitando assim atingir a referida frequência (8) de corte elevada em caso de flutuação do oscilador local.
2. 2. Telefone de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir um descodificador (26) do sinal de modulação à frequência fixa capaz de extrair, a partir de amostras do sinal de modulação, uma informação relativa à flutuação do oscilador (12) local, e de corrigir digitalmente o valor das amostras utilizando a referida informação.
3. 3. Telefone de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o descodificador incluir um circuito algorítmico que extrai (ε) a correcção a fazer em função do desacordo (ε') por excesso. 1
4. 4. Telefone de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o oscilador incluir um oscilador (19) de quartzo que produz um sinal de base e um circuito (17, 18) fechado de regulação que faz uma multiplicação (M/N) deste sinal de base para o conduzir a uma frequência portadora mais elevada.
5. 5. Telefone de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o oscilador de quartzo ser alterado por excesso para que o desacordo por excesso seja inferior a 10 KHz.
6. 6. Telefone de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o oscilador de quartzo ser alterado por excesso para que o desacordo por excesso seja igual a 5 KHz.
7. 7. Telefone de acordo com uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado por o oscilador de quartzo ser alterado de uma só maneira e por o sinal de portadora modulada se situar numa faixa de 800 a 2200 MHz.
8. 8. Telefone de acordo com uma das reivindicações 4 a 7, caracterizado por o oscilador de quartzo incluir condensadores de ajuste para efectuar uma alteração (21), de um modo preferido, comutável. Lisboa, 29 de Março de 2007 2